EXTRACCION DE ACEITES ESENCIALES A PARTIR DE LAS HOJAS DE EUCALIPTO
OBJETIVOS GENERALES El presente proyecto tiene como objetivos generales la de demostrar y explicar de manera más sencilla la extracción de aceites mediante un equipo de un reactor de extracción a partir de las hojas de la planta de eucalipto.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Explicar y analizar a partir de los datos obtenidos obtenidos las condiciones adecuadas para que se pueda llevar a cabo la reacción de extracción de nuestro producto. El cálculo matemático del grado de conversión en que se produce la reacción de extracción.
RESUMEN Los aceites esenciales son sustancias muy apetecidas y de gran valor comercial debido a su difícil obtención y a las diferentes propiedades con las que cuenta cada tipo de planta. Además de su agradable olor, el eucalipto posee varias cualidades medicinales. por lo que es empleado como desinflamante, expectorante, analgésico y desinfectante. La técnica de extracción por arrastre con vapor permite aprovechar totalmente las propiedades de la planta, ya que ésta no entra en contacto con el agua durante el proceso el vapor “arrastra” el material vegetal que luego será condensado y gracias a la inmiscibilidad del aceite y el agua, se podrá obtener fácilmente el aceite esencial.
INTRODUCCIÓN.
La extracción de aceites esenciales se realiza por varias técnicas, dentro de las cuales se destacan el en fluerado, la extracción con solvente y la extracción por arrastre con vapor. En nuestro caso se empleará la extracción por arrastre para la obtención de aceite esencial a partir de eucalipto; el modo de extracción consiste en generar el vapor que ingresa a un recipiente, donde están las hojas de la planta, y ponerlos en contacto hasta lograr la saturación del aceite, éste será arrastrado por el vapor hacia un condensador para finalmente después de un tiempo de reposo de la mezcla agua-aceite, decantar el aceite. Además de la extracción, se busca también mostrar que las características generales del producto son similares a las del producto industrial, lo cual se determinará con el espectro infrarrojo, la determinación de la densidad y el índice de refracción.
MARCO TEÓRICO. ACEITE ESENCIAL Definición. Según la Dra. Elena Stashenko, directora del Centro Nacional de Investigaciones para la Agro industrialización de Especies Vegetales Aromáticas y Medicinales Tropicales de la Universidad Industrial de Santander (CENIVAM), un aceite esencial es: “mezcla de componentes volátiles producto del metabolismo secundario de las plantas en cuya composición interviene una proporción de hidrocarburos de la serie polimetilénica del grupo de los terpenos que responden a la fórmula (C5H8)n junto con otros compuestos casi siempre oxigenados (alcoholes, ésteres, éteres, aldehídos y compuestos fenólicos) que son los que transmiten a los aceites el aroma que los caracteriza. MATERIA PRIMA La materia principal para la elaboración del aceite esencial es la hoja del eucalipto. La disponibilidad anual de la materia prima es de 1.927.540 kg de hojas de eucalipto.
Características. Los aceites esenciales, en general, constituyen del 0.1 al1% del peso seco de la planta. Son líquidos con escasa solubilidad en agua, solubles en alcoholes y en disolventes orgánicos. Cuando están frescos, a temperatura ambiente, son incoloros, pero al oxidarse seres significantes y toman un color amarillento oscuro (lo que se previene depositándolos en recipientes de vidrio de color topacio, totalmente llenos y cerrados herméticamente).La mayoría de los aceites son menos densos que el agua (salvo excepciones como los aceites esenciales de canela, sasafrás y clavo) y con un alto índice de refracción.
LAS PLANTAS AROMÁTICAS Son aquellas que pueden generar por algún proceso fisicoquímico un producto aromático, entendiéndose por éstos a los que tienen un olor o un sabor determinado, sin evaluar su calidad comercial o estética.
Familias botánicas aromáticas. Desde plantas superiores hasta algas con propiedades aromáticas, para un total aproximado de 60 familias botánicas reconocidas con tales propiedades, entre ellas encontramos: Compuestas, Labiadas, Umbelíferas, Pináceas, Verbenáceas, Mirtáceas, Lamiáceas, Rutáceas,Lauráceas, Piperáceas, Apiáceas y Asteráceas.
Eucalipto. El Eucalipto pertenece a la familia de las Mirtáceas y es originario de Australia y Tasmania; es un grupo de rápido crecimiento en el que se cuentan actualmente cerca de 700 especies de Eucalipto, distribuidas en regiones, especialmente de climas mediterráneos, tropicales o subtropicales. En Colombia fue introducida a finales de este mismo siglo, con las primeras plantaciones de Eucalipto común en la Sábana de Bogotá, que fueron empleadas como cerca viva, leña, especie ornamental y en el área de la construcción. Iniciando el siglo XX, la especie se empleó en la recuperación de áreas erosionadas y en la protección de algunas fuentes de acueductos. El aceite de eucalipto posee un refrescante, penetrante y estimulante con efectos medicinales. Es uno de los mejores aceites para aliviar problemas respiratorios, especialmente asma, bronquitis, gripe y sinusitis. Puede también aplacar la fiebre y la congestión. Propiedades Físico-químicas del Eucalipto formula C10H18O Masa atómica 154,24 Aspecto liquido transparente e incoloro Olor característico Punto de ebullición 177 °C Punto de fusión 1,5 °C Densidad 0,924 Solubilidad inmiscible al agua
SELECCIÓN DEL PROCESO Los aceites esenciales pueden ser extraídos por: Destilación: La destilación por arrastre de vapor de agua es el proceso, al cual se someten algunas plantas aromáticas, para obtener sus aceites esenciales, asumiendo que el valor penetra en los tejidos de las mismas, vaporizando las sustancias volátiles. La industria de aceites esenciales distingue tres tipos de hidrodestilación: Destilación acuosa: La planta o el material vegetal está en contacto directo con el agua hirviendo. Destilación con agua y vapor de agua: El material vegetal es puesto sobre un fondo perforado, haciendo hervir el agua colocada debajo de este fondo, de tal forma que el vapor generado atraviese la carga vegetal. Destilación por arrastre de vapor directo: Las hojas suspendidas sobre un fondo perforado, están separadas del generador de vapor, que pasa en forma ascendente y continua sobre la carga que soporta la rejilla. En las instalaciones pequeñas, la destilación con agua y la destilación con agua y vapor, son las más indicadas por la simplicidad de equipo, pero para instalaciones grandes la destilación por arrastre de vapor es la más ventajosa. En general, para mantener una mayor producción y un aceite de mejor calidad, hay que mantener la destilación a bajas temperaturas, si es posible poner en contacto directo el material de la planta, con el agua y fraccionar adecuadamente el material de la planta antes de la destilación.
DESCRIPCION DEL PROCESO El material vegetal es puesto sobre un fondo perforado, haciendo hervir el agua colocada debajo de este fondo, de tal forma que el vapor generado atraviese la carga vegetal. Es el proceso de extracción más antiguo pero es un método delicado que requiere experiencia y metodología. Las plantas son colocadas en la cuba de un alambique herméticamente cerrado. El vapor de agua, pasando por el alambique, atraviesa las plantas sin presión. Este vapor disuelve, vaporiza y arrastra los compuestos aromáticos de la planta hasta llevarlos a un tubo en forma de serpentín llamado « cuello del cisne », donde bajo la acción del frió, se condensa otra vez el vapor. Este vapor, que se ha vuelto liquido de nuevo, llega al vaso florentino (esenciero) donde se separa en dos
líquidos distintos por su densidad: el aceite esencial flota por encima del agua de destilación (agua floral o hidrosol).
La destilación es un proceso delicado, y existen numerosos tipos de alambiques diseñados por investigadores apasionados. La calidad del alambique, la pureza del agua usada, el control del tiempo de destilación y de la presión usada son factores que influyen en la pureza, en las propiedades y en la calidad del aceite esencial y del agua floral obtenida. Se realiza en tres etapas: calentamiento, extracción y enfriamiento; cada una de ellas involucra diferentes fenómenos de transferencia de calor, adicionalmente en la etapa de extracción se presenta transferencia de masa.
Etapa de calentamiento
Se suministra agua hacia el reactor, hasta cuando comienzan a evaporarse los aceites y son entonces arrastrados hacia el condensador; es allí donde el vapor de agua transfiere calor latente al material vegetal.
Etapa de extracción
Inicia en el momento en el que comienza la producción de condensado de aguaaceite; aquí se determina el tiempo necesario para la extracción. La transferencia de masa en esta etapa se refiere a la cantidad de aceite que es arrastrado por el vapor.
Etapa de enfriamiento
Se condensan los vapores de agua-aceite que provienen del destilado, después se enfría para separar las fases y obtener el aceite por decantación
TECNOLOGÍA UTILIZADA El proceso utilizará la tecnología de la “Extracción aceites esenciales por medio de destilación con agua y vapor de agua. Es un proceso semi intermitente es decir que es una combinación del proceso batch y proceso continuo. Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas. Ejemplo: Permitir que el contenido de un recipiente que contiene gas a alta presión salga a la atmósfera. Mezclar lentamente varios líquidos dentro de un tanque del cual nada se está extrayendo.
Proceso Batch : Se carga la alimentación a un sistema (reactor, tanque) al inicio del proceso, eliminándoselos productos de una sola vez algún tiempo después. Ejemplo: Agregar reactivos a un tanque y eliminar los productos y reactivos no consumidos algún tiempo después cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio. Proceso Continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante todo el tiempo que permanezca el proceso en funcionamiento. Ejemplo: Bombear una mezcla de líquidos a una torre de destilación y eliminar uniformemente corrientes de líquido y vapor desde los extremos inferior y superior de la torre.
DISPONIBILIDAD DE MATERIA PRIMA La materia prima utilizado será la hoja de eucalipto y la hoja de paja de cedrón. Eucalipto citriodora El nombre de eucalipto proviene del género griego: Eu que significa bien y calyptus que significa cubierto debiéndose este nombre a que las flores antes de abrirse están bien cubiertos de una capucha coriácea. FUNDEFOREST, organismo llamado “ Fundación para el Desarrollo Forestal”,
trabaja en coordinación de la Cámara Forestal y tiene en sus predios plantaciones de eucalipto citriodora en la siguientes localidades: La cueva, Warnes, Kilómetro 13 (carretera antigua a Cochabamba) y en inmediaciones del ex jardín botánico en los márgenes del río Piraí. Según información de FUNDEFOREST, esta institución tiene planificado plantar 2000 hectáreas de eucalipto en los próximos años, y en el siguiente cuadro se muestra el potencial de materia prima por especie en diferentes localidades de Santa Cruz CUADRO Nº 1 EXISTENCIA DE ARBOLES DE EUCALIPTO SANTA CRUZ Localidad Especie Árbol/H Nº a Ha Cueva Citriodora 1000 1 Ex jardín Citriodora Botánico Candelaria Citriodora TOTAL Fuente: FUNDEFOREST
EN EL DEPARTAMENTO DE Nº árboles 1000
Kg-hoja/ Kg-hoja árbol 10 10.000
1000
0.5
500
10
5.000
1600
4
6400
10
6400 21400
En base a la anterior información a continuación se muestra la oferta anual de materia prima. CUADRO Nº 2 OFERTA ANUAL DE MATERIA PRIMA Especie
Kgr-hojas
Citriodora
79.000
Total 79.000 Fuente: PROMABOSQUE
Como el requerimiento de hojas de eucalipto es de 312.000 kg/año, entonces la cantidad de materia prima abastecerá para 6 años, lo cual asegura el funcionamiento del equipo para el tiempo de vida útil que se ha previsto. CUADRO Nº 3 USOS DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DEL ACEITE CITRIODORA
Componentes Cineol
Usos Productos farmacéuticos, quitamanchas. En la industria como solvente y Felandreno en la flotación de metales. Terpineol Perfumería (olor a Jacinto). Eudesmol Fijador para perfumes. Se mezcla bien con la esencia Acetato de lavanda. Piperitona Materia prima para obtener timol, y mentol sintético. Perfumería, repelente contra Citronelal insectos. Fuente: TROPICAL PRODUCTS INSTITUTE
Características física-química del aceite citriodora Las características físico-químicas del aceite extraído del eucalipto-citriodora se muestra en el siguiente cuadro: CUADRO Nº 4 CARACTERISTICAS FISICO-QUÍMICAS DEL ACEITE CITRIODORA
Color Incoloro Olor Penetrante, intenso Sabor Picante Estado físico Líquido Índice de refracción 1.4533 Peso específico 0.8697 (a 23ºC) 0.13 o sea 0º 8´16.72” Rotación óptica Solubilidad del alcohol 39%( en alcohol al 70%) Punto de congelamiento -9.53 Índice de acidez 6.44 Índice de ésteres 289 citronelal 73% FUENTE: Obtención y caracterización de aceite esencial de citriodora CUADRO Nº 6 CLASIFICACION TAXONOMICA EUCALIPTO-CITRIODORA
CLASE Angiosperma SUBCLASE Dicotiledónea FAMILIA Mirtaceos GENERO Eucaliptus ESPECIE Citriodora-Hook FUENTE: DE LA LAMA G.G. En el siguiente cuadro se muestra las principales características de la hoja de Eucalipto: CUADRO Nº 7 CARÁCTERÍSTICAS DE LA HOJA-EUCALIPTO Forma Lanceolada Sabor y fragancia A citronelal Contenido de aceite 0.5% a 2.2% Contenido de agua 52.1% Contenido de sólido 40% a 55% Fuente: Plantas Medicinales y aromáticos. DEMONTE CUADRO Nº 8
COMPOSICIÓN QUIMICA DEL ACEITE DE EUCALIPTO
Componente Citronelal Cintronelol Cineol Isopulegol Otros
Porcentaje 65% a 85% 5% a 10% 1% a 2%
DIAGRAMA DE BLOQUE El diagrama de bloque se muestra a continuación, ilustrando las principales etapas del proceso.
PROCESO DE DESTILACION CON AGUA Y VAPOR DE AGUA
PROCESO DE DESTILACION POR ARRASTRE DE VAPOR DIRECTO
CONSTRUCCION DE EQUIPOS Es de hacer notar que la construcción de los equipos como ser: , Quemador de gas, Extractor de aceite, Condensador de aceite y agua, Separador de fase por diferencia de densidades, adquisición de cañería y accesorios, acoplamiento entre equipos, e instalación de los equipos tipo didáctico productivo, así como también la prueba y la puesta en marcha se analizaron en detalle.
Equipos principales
EXTRACTOR O DESTILADOR. - El término destilar proviene del latín “destillare”: separar por medio del calor, alambiques u otros vasos una sustancia volátil llamada esencia de otras más fijas, enfriando luego su vapor para reducirla nuevamente a líquido. Por efecto de la temperatura del vapor ( 100 ºC) en un cierto tiempo, el tejido vegetal se rompe liberando el aceite esencial. La destilación es un proceso físico de separación, desde el punto de vista de la física la destilación se define del siguiente modo: “muchas sustancias de punto de
ebullición muy alto, calentadas juntamente con el agua pasan a estado de vapor a la temperatura de ebullición de ésta, son por lo tanto, volátiles con el vapor de agua y pueden obtenerse y purificarse por destilación en corriente de ese vapor. En el campo se usan instalaciones sencillas y portátiles, donde en la parte inferior del tanque extractor, el cual es normalmente basculante, se coloca agua, luego viene encima una parrilla que soporta el material que va a ser extraído. La salida de vapores, puede ser lateral al tanque o ubicarse en la tapa, pasa a un serpentín ó espiral enfriado por agua y posteriormente el vapor condensado y el aceite esencial se recolectan en un separador de fases ó florentino, el cual debe de tener la suficiente altura y diámetro para evitar la pérdida de aceite y además permita la recolección fácil del mismo. El tanque extractor es calentado con fuego directo en su parte inferior (el fondo y hasta 1/3 de la parte inferior del tanque se construye en alfajor de 1/8 in, material que resiste bien el calor y la oxidación), el vapor producido allí causa el arrastre del aceite esencial. Cuando se emplea hidrodestilación no se requiere de un calderín generador de vapor, como en las instalaciones industriales. Los aceites producidos son más coloreados, que los obtenidos por arrastre con vapor propiamente dicho, y tienden a presentar un cierto olor a quemado, por lo anterior estos aceites siempre van a requerir una etapa posterior de refinación. Una vez extraído el aceite esencial de la planta que hemos destilado procederemos a su separación del hidrolato (resto del destilado que está compuesto de agua destilada y trazas de aceite esencial). Para ello utilizaremos un decantador o vaso florentino.
CONDENSADOR. - Un condensador térmico es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, pasando de estado gaseoso a estado líquido, el otro se calienta. Se fabrican en tamaños y disposiciones diversas para ser empleados en numerosos procesos térmicos. Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien
utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado.
SEPARADOR DE FASES.- Separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla, tales como: Punto de Ebullición Densidad,, Presión de Vapor, Punto de Fusión, Solubilidad, etc. En este caso el proceso trata de separar el aceite del agua por diferencias de densidades, sabiendo que la densidad del aceite es mucho mayor que la densidad del agua, por lo tanto el aceite tiende a flotar en la superficie y el agua queda sumergida en la parte inferior.
DETERMINCION DE LA CINETICA DE REACCION PARA UN TANQUE REACTOR DISCONTINUO.
De forma general tendremos:
C A Para definir la cinética de reacción tendremos que realizar algunas operaciones matemáticas para poder definir algunas incógnitas como las concentraciones iniciales y finales para un tiempo determinado: Partiremos calculando:
Masa de alimentacion: Tenemos una masa de carga al reactor:
Masa de eucalipto = 25 Kg. Agua de Proceso = 1000 L. Volumen Total de Solución= 25kg/0.924Kg/L +1000 L
V Solucion
1027 L
Calculamos el Número de moles
m N AO _ M
N AO
25000gr 162.08 moles gr 154,24 mol
Calculamos ahora la concentración inicial:
C AO
moles Lt .
162 ,08 moles 1,28 moles / litro C AO 1027 Lt
PLANTEAMIENTO DE LA CINETICA DE REACCION
C A Supongamos que para esta reacción queremos ensayar la ecuación cinética del tipo:
r A
dC A
k C
A
dt
dC A
k
t dt
C A
Integrando ambos miembros:
r A
C A
dC A
C A O
C A
t
k dt 0
Resolviendo las integrales:
ln
C A C AO
k t
Con esto podemos realizar una representación grafica entre la relación –LN (CA/CAO) y el tiempo de extraccion (DATOS DE TABLA 1):
Cinetica de Reaccion 2.5 2 ) o 1.5 a C / 1 a C ( n 0.5 l -
y = 0.0108x - 0.2495
Serie1
R2 = 0.7377
Lineal (Serie1)
0 -0.5 0
50
100
150
tiempo (min)
De la ecuación lineal podemos encontrar la constante k:
Y mX b Donde sabemos que la pendiente m
= k, entonces:
Y 0.0100 X 0.2495
K 0.0100 min
1
Considerando que la reacción es de primer orden, la cinética para nuestro problema será:
r A
0.0100 min
1
* C A
Una vez definida la cinética de la reacción, planteamos la ecuación de diseño para TANQUE AGITADO DISCONTINUO:
ECUACION DE DISEÑO T.A.D:
t N AO
dX A
X A
( r A ) * V
0
Considerando el volumen constante, tenemos:
t C AO
X A
0
dX A ( r A )
Ahora sabiendo que: r A
k C A
Y:
C A
C AO * (1 X A )
Entonces reemplazando tenemos:
1
r A 0.0100 min 1* C AO * (1 X A ) Reemplazamos todo en ecuación 1 y simplificando:
t C AO
0
t
dX A
X A
0.0100 min 1 0.0100 min
1
* C AO * (1 X A )
X A
1 0
dX A
(1 X A )
Resolviendo la integral:
t
1 0.0100 min
1
ln 1 X A
ECUACION DE DISEÑO PARA UN TANQUE AGITADO DISCONTINUO DONDE: XA = conversión de la materia grasa (componente guía) -1 K = constante cinética 0.0100 min t = tiempo de reacción
BALANCE DE ENERGIA. Para un tanque agitado discontinuo :
C e C s C g C T C a
C g C T 0
Entonces:
(r A )V H R AU (T T W ) 0 (1)
Ahora del balance de materia tenemos:
t N AO
dt
N AO dX A
(r A )V
X A
0
dX A ( r A ) * V
(r A )V
N AO dX A dt
(2)
Reemplazando 2 en 1:
N AO
dX A dt
H R AU (T T W ) 0
Acomodando:
AU (T T W ) N AO H R
dX A dt
t=0 t=1
Integrando:
AU (T T W ) N AO H R
X A t
Ecuación de diseño para un tanque discontinuo isotermico
APLICACION PRACTICA A NUESTRO DISEÑO. Tenemos como datos el “Q”, que es el calor transmitido al sistema
Q = 61440 Kcal/h
XA=0 XA=0
Q AU (T T W ) N AO H R
X A t
H R = - Q * t/NAO * XA t
1 0.0100 min
XA = e-
1
ln 1 X A
720 min * 0,0100 min -1
